Гравитационные системы отопления с естественной циркуляцией теплоносителя

Существует мнение, что гравитационное отопление является анахронизмом в наш компьютерный век. Но что делать, если вы построили дом в местности, где пока нет электричества или электроснабжение осуществляется с большими перебоями? В этом случае придется вспомнить дедовский способ организации отопления. Вот о том, как организовать гравитационное отопление, мы и поговорим в этой статье.

Гравитационная система отопления

Гравитационная система отопления была изобретена в 1777 г. французским физиком Боннеманом (Bonneman) и предназначалась для обогрева инкубатора.

Но только с 1818 г., гравитационная система отопления стала повсеместно применяться в Европе, правда пока только для теплиц и оранжерей. В 1841 году англичанин Гудом (Hood) разработал методику теплового и гидравлического расчета систем с естественной циркуляцией. Ему удалось теоретически доказать пропорциональность скоростей циркуляции теплоносителя квадратным корням из разницы высот центра нагрева и центра охлаждения, то есть перепада высот между котлом и радиатором. Естественная циркуляция теплоносителя в системах отопления была достаточно хорошо изучена и имела мощную теоретическое обоснование.

Но с появлением насосных отопительных систем интерес ученых к гравитационной системе отопления неуклонно угасал. В настоящее время, гравитационное отопление поверхностно освещают в институтских курсах, что привело к неграмотности специалистов, осуществляющих монтаж данной системы отопления. Стыдно сказать, но монтажники, строящие гравитационное отопление в основном используют советы «бывалых» да те скупые требования, которые изложены в нормативных документах. Стоит помнить, что нормативные документы только диктуют требования и не дают объяснение причин появления того или иного явления. В связи с этим в среде специалистов бытует достаточное количество заблуждений, которые и хотелось немного развеять.

Достоинства и недостатки

Хотя эта схема и популярна, но у нее есть определенные недостатки. Прежде всего, это длина трубопроводов, которые не способны равномерно распределить давление жидкости внутри. Поэтому в гравитационных системах 30 метров по горизонтали — это предел. Больше тянуть трубопроводы не имеет смысла. Чем дальше от котла, тем меньше давление.

Отметим также высокую первоначальную стоимость. Специалисты уверяют, что расходы на такое отопление составляют до 7% от стоимости самого здания. Связано это с тем, что здесь необходимы трубы большого диаметра, чтобы создать необходимое давление при большом объеме теплоносителя.

Еще один недостаток — медленное прогревание приборов отопления. Это опять-таки зависит от значительного количества воды. Чтобы ее прогреть, необходимо определенное время. Кроме того, высока вероятность замерзания теплоносителя в трубах, которые проходят по неотапливаемым помещениям.

Достоинства

Однако достоинств у такой системы тоже не так уж мало:

• Простота конструкции, монтажа и эксплуатации.
• Энергонезависимость.
• Отсутствие циркуляционных насосов, что гарантирует тишину и исключает вибрацию.
• Долговечная эксплуатация до 40 лет.
• Надежность — на сегодняшний день это самое надежное отопление в плане количественного саморегулирования.

Почему же тепловая надежность зависит от количественного саморегулирования? И вообще, что это значит?

При изменении температуры воды в ту или иную сторону меняется и расход теплоносителя. Происходит изменение его плотности, что влияет на теплоотдачу. Чем больше воды, тем выше ее теплоотдача. Все это взаимодействует с теплопотерями помещения, где установлен отопительный прибор. Эти два показателя также взаимосвязаны. Увеличиваются теплопотери — растет теплоотдача.

Имеет значение и обвязка схемы. В двухтрубной системе все проще, потому что циркуляционное кольцо определяется всего лишь одним прибором. Поэтому тепловое саморегулирование происходит по укороченному варианту. А это влияет на качество теплоотдачи радиатора. Чем короче кольцо, тем лучше работает отопление в целом.

С однотрубной развязкой сложнее, потому что в одно циркуляционное кольцо входят несколько отопительных приборов, и распределение тепла может быть неравномерным. Конечно, в этом случае спасает циркуляционный насос. Но это уже не гравитационные системы отопления.

Так что двухтрубная развязка будет оптимальным вариантом при использовании системы с естественной циркуляцией теплоносителя. Однако вертикальная однотрубная разводка позволит увеличить скорость движения воды, а это напрямую повлияет на рост теплоотдачи и равномерное распределение теплоносителя. Чем выше скорость воды внутри отопительных трубопроводов, тем равномернее она распределяется по всей схеме. В этом случае можно будет располагать отопительные приборы ниже котла.

Такую схему часто используют, если необходимо отопить подвал дома.

Классическое двухтрубное гравитационное отопление

Для того, чтобы понять принцип работы гравитационной системы отопления, рассмотрим пример классической двухтрубной гравитационной системы, со следующими исходными данными:

• начальный объем теплоносителя в системе – 100 литров;
• высота от центра котла до поверхности нагретого теплоносителя в баке Н = 7 м;
• расстояние от поверхности нагретого теплоносителя в баке до центра радиатора второго яруса h1 = 3 м,
• расстояние до центра радиатора первого яруса h2 = 6 м.
• Температура на выходе из котла – 90 °С, на входе в котел – 70 °C.

Действующее циркуляционное давление для радиатора второго яруса можно определить по формуле:

Dp2 = (r2 – r1) · g · (H – h1) = (977 – 965) · 9,8 · (7 – 3) = 470,4 Па.

Для радиатора первого яруса оно составит:

Dp1 = (r2 – r1) · g · (H – h1) = (977 – 965) · 9,8 · (7 – 6) =117,6 Па.

Чтобы расчет получился более точным, необходимо учесть остывание воды в трубопроводах.

Прокладка трубопровода при гравитационном отоплении

Многие специалисты считают, что прокладка трубопровода должна происходить с уклоном по направлению движения теплоносителя. Не спорю, что в идеале так и должно быть, но на практике это требование не всегда удается выполнить. Где-то балка мешает, где-то потолки сделаны в разных уровнях. Что же будет, если смонтировать подающий трубопровод с обратным уклоном?

Уверен, что ничего страшного не произойдет. Циркуляционное давление теплоносителя, если и снизится, то совсем на небольшую величину (несколько паскалей). Произойдет это за счет паразитного влияния, остывающего в верхнем розливе теплоносителя. При такой конструкции воздух из системы придется удалять с помощью проточного воздухосборника и воздухоотводчика. Такое устройство показано на рисунке. Здесь дренажный кран предназначен для выпуска воздуха в момент заполнения системы теплоносителем. В рабочем режиме этот кран должен быть закрыт. Такая система останется полностью работоспособной.

Виды систем отопления с гравитационной циркуляцией

Несмотря на простое устройство системы водяного отопления с самоциркуляцией теплоносителя, существует как минимум четыре, пользующихся популярностью, схемы монтажа. Выбор типа разводки зависит от характеристик самого здания и ожидаемой производительности.

Чтобы определить, какая схема будет работоспособной, в каждом отдельном случае требуется выполнить гидравлический расчет системы, учесть характеристики отопительного агрегата, рассчитать диаметр трубы и т.п. При выполнении вычислений может потребоваться помощь профессионала.

Закрытая система с самотечной циркуляцией

В странах ЕС, системы закрытого типа пользуются наибольшей популярностью среди других решений. В РФ схема пока не получила широкого применения. Принципы действия водяной системы отопления закрытого типа с безнасосной циркуляцией заключается в следующем:

• При нагревании теплоноситель расширяется, происходит вытеснение воды из контура отопления.
• Под давлением жидкость поступает в закрытый мембранный расширительный бак. Конструкция емкости представляет полость, разделенную мембраной на две части. Одна половина бачка заполнена газом (в большинстве моделей используется азот). Вторая часть остается пустой для наполнения теплоносителем.
• При нагревании жидкости создается давление, достаточное, чтобы продавить мембрану и сжать азот. После остывания, происходит обратный процесс, и газ выдавливает воду из бачка.

В остальном, системы закрытого типа, работают, как и остальные схемы отопления с естественной циркуляцией. В качестве минусов можно выделить зависимость от объема расширительного бака. Для помещений с большой отапливаемой площадью, потребуется установить вместительную емкость, что не всегда целесообразно.

Открытая система с самотечной циркуляцией

Система отопления открытого типа отличается от предыдущего типа только конструкцией расширительного бака. Данная схема чаще всего использовалась в старых зданиях. Преимуществами открытой системы является возможность самостоятельного изготовления емкости из подручных материалов. Бачок, обычно имеет скромные габариты и устанавливается на кровле или под потолком жилой комнаты.

Главным недостатком открытых конструкций является попадание воздуха в трубы и радиаторы отопления, что приводит к усилению коррозии и быстрому выходу из строя греющих элементов. Завоздушивание системы также частый «гость» в схемах открытого типа. Поэтому, радиаторы устанавливаются под углом, обязательно предусматриваются краны Маевского, для стравливания воздуха.

Однотрубная система с самоциркуляцией

Преимуществ у данного решения несколько:

1. Отсутствует парный трубопровод под потолком и над уровнем пола.
2. Экономятся средства на монтаж системы.

Недостатки такого решения очевидны. Теплоотдача радиаторов отопления и интенсивность их нагрева снижается по мере отдаленности от котла. Как показывает практика, однотрубная система отопления двухэтажного дома с естественной циркуляцией, даже при соблюдении всех уклонов и подбора правильного диаметра труб, зачастую переделывается (посредством монтажа насосного оборудования ).

Двухтрубная система с самоциркуляцией

Двухтрубная система отопления в частном доме с естественной циркуляцией, имеет следующие конструктивные особенности:

1. Подача и обратка проходят по разным трубам.
2. Подающий трубопровод подсоединен к каждому радиатору через входной отвод.
3. Второй подводкой батарея подключается к обратке.

В результате, двухтрубная система радиаторного типа дает следующие преимущества:

1. Равномерное распределение тепла.
2. Отсутствие необходимости в добавлении секций радиатора для лучшего прогрева.
3. Проще выполнить регулировку системы.
4. Диаметр водяного контура, по крайней мере, на размер меньше чем в однотрубных схемах.
5. Отсутствие строгих правил установки двухтрубной системы. Допускаются небольшие отклонения относительно уклонов.

Главным достоинством двухтрубной системы отопления с нижней и верхней разводкой является простота и одновременно эффективность конструкции, что позволяет нивелировать ошибки, допущенные в расчетах или во время проведения монтажных работ.

Движение охлажденного теплоносителя

Одним из заблуждений является то, что в системе с естественной циркуляцией охлажденный теплоноситель вверх двигаться не может.С эти я тоже не согласен. Для циркуляционной системы понятие верх и низ весьма условное. На практике, если обратный трубопровод на каком-то участке поднимается, то где-то он на эту же высоту опускается. При этом гравитационные силы уравновешиваются. Трудность только в преодолении местных сопротивлений на поворотах и линейных участках трубопровода. Все это, а также возможное остывание теплоносителя на участках подъема должно учитываться в расчетах. Если система грамотно рассчитана, то схема, представленная на рисунке ниже, имеет право на существование. К слову сказать, в начале прошлого века такие схемы достаточно широко применялись, несмотря на свою слабую гидравлическую устойчивость.

Виды систем отопления с гравитационной циркуляцией

Несмотря на простое устройство системы водяного отопления с самоциркуляцией теплоносителя, существует как минимум четыре, пользующихся популярностью, схемы монтажа. Выбор типа разводки зависит от характеристик самого здания и ожидаемой производительности.

Чтобы определить, какая схема будет работоспособной, в каждом отдельном случае требуется выполнить гидравлический расчет системы, учесть характеристики отопительного агрегата, рассчитать диаметр трубы и т.п. При выполнении вычислений может потребоваться помощь профессионала.

Закрытая система с самотечной циркуляцией

В странах ЕС, системы закрытого типа пользуются наибольшей популярностью среди других решений. В РФ схема пока не получила широкого применения. Принципы действия водяной системы отопления закрытого типа с безнасосной циркуляцией заключается в следующем:

• При нагревании теплоноситель расширяется, происходит вытеснение воды из контура отопления.
• Под давлением жидкость поступает в закрытый мембранный расширительный бак. Конструкция емкости представляет полость, разделенную мембраной на две части. Одна половина бачка заполнена газом (в большинстве моделей используется азот). Вторая часть остается пустой для наполнения теплоносителем.
• При нагревании жидкости создается давление, достаточное, чтобы продавить мембрану и сжать азот. После остывания, происходит обратный процесс, и газ выдавливает воду из бачка.

В остальном, системы закрытого типа, работают, как и остальные схемы отопления с естественной циркуляцией. В качестве минусов можно выделить зависимость от объема расширительного бака. Для помещений с большой отапливаемой площадью, потребуется установить вместительную емкость, что не всегда целесообразно.

Открытая система с самотечной циркуляцией

Система отопления открытого типа отличается от предыдущего типа только конструкцией расширительного бака. Данная схема чаще всего использовалась в старых зданиях. Преимуществами открытой системы является возможность самостоятельного изготовления емкости из подручных материалов. Бачок, обычно имеет скромные габариты и устанавливается на кровле или под потолком жилой комнаты.

Главным недостатком открытых конструкций является попадание воздуха в трубы и радиаторы отопления, что приводит к усилению коррозии и быстрому выходу из строя греющих элементов. Завоздушивание системы также частый «гость» в схемах открытого типа. Поэтому, радиаторы устанавливаются под углом, обязательно предусматриваются краны Маевского, для стравливания воздуха.

Однотрубная система с самоциркуляцией

1. Отсутствует парный трубопровод под потолком и над уровнем пола.
2. Экономятся средства на монтаж системы.

Недостатки такого решения очевидны. Теплоотдача радиаторов отопления и интенсивность их нагрева снижается по мере отдаленности от котла. Как показывает практика, однотрубная система отопления двухэтажного дома с естественной циркуляцией, даже при соблюдении всех уклонов и подбора правильного диаметра труб, зачастую переделывается (посредством монтажа насосного оборудования ).

Двухтрубная система с самоциркуляцией

Двухтрубная система отопления в частном доме с естественной циркуляцией, имеет следующие конструктивные особенности:

1. Подача и обратка проходят по разным трубам.
2. Подающий трубопровод подсоединен к каждому радиатору через входной отвод.
3. Второй подводкой батарея подключается к обратке.

В результате, двухтрубная система радиаторного типа дает следующие преимущества:

1. Равномерное распределение тепла.
2. Отсутствие необходимости в добавлении секций радиатора для лучшего прогрева.
3. Проще выполнить регулировку системы.
4. Диаметр водяного контура, по крайней мере, на размер меньше чем в однотрубных схемах.
5. Отсутствие строгих правил установки двухтрубной системы. Допускаются небольшие отклонения относительно уклонов.

Главным достоинством двухтрубной системы отопления с нижней и верхней разводкой является простота и одновременно эффективность конструкции, что позволяет нивелировать ошибки, допущенные в расчетах или во время проведения монтажных работ.

Расположение радиаторов

Говорят, что при естественной циркуляции теплоносителя, радиаторы, в обязательном порядке, должны располагаться выше котла. Данное утверждение справедливо только тогда, когда отопительные приборы расположены в один ярус. Если количество ярусов два и более, радиаторы нижнего яруса можно располагать и ниже котла, что, обязательно должно быть проверено гидравлическим расчетом.

В частности, для примера, показанного на рисунке ниже, при H = 7 м, h1 = 3 м, h2 = 8 м, действующее циркуляционное давление составит:

g · = 9,9 · [ 7· (977 – 965) – 3 · (973 – 965) – 6 · (977 – 973)] = 352,8 Па.

Здесь:

r1 = 965 кг/м3 – плотность воды при 90 °С;

r2 = 977 кг/м3 – плотность воды при 70 °С;

r3 = 973 кг/м3 – плотность воды при 80 °С.

Получившееся циркуляционного давления достаточно для работоспособности приведенной системы.

Гравитационное отопление — замена воды на антифриз

Где-то прочитал, что гравитационное отопление, рассчитанное на воду, можно безболезненно перевести на антифриз. Хочу вас предостеречь от таких действий, так как без надлежащего расчета такая замена может привести к полному отказу системы отопления. Дело в том, что растворы на гликолевой основе обладают значительно большей вязкостью, чем вода. Кроме того, удельная теплоемкость этих жидкостей ниже, чем у воды, что потребует, при прочих равных условиях, повышения скорости циркуляции теплоносителя. Эти обстоятельства существенно увеличивают расчетное гидравлическое сопротивление системы, заполненной теплоносителями с низкой температурой замерзания.

Что это такое

В любой системе водяного отопления распределения и функцию переноса тепла по отопительным устройствам делает теплоноситель — жидкое вещество со большой удельной теплоемкостью.

Значительно чаще эту роль делает простая вода; но в тех случаях, в то время, когда в зимние холода дом может остаться без отопления, часто употребляются жидкости с более низкими температурами фазового перехода.

Независимо от типа теплоносителя его необходимо вынудить двигаться, переносить тепло.

Способов сделать это не верно уж большое количество.

• В системах центрального отопления функцию побуждения циркуляции делает перепад давления между подающим и обратным трубопроводами теплотрассы.

• Автономные системы с принудительной циркуляцией для данной цели комплектуются циркуляционными насосами.
• Наконец, теплоноситель в гравитационных (самотечных) системах движется лишь за счет трансформации собственной плотности при нагреве.

Использование открытого расширительного бака

Практика показывает, что в открытый расширительный бак необходимо постоянно доливать теплоноситель, так как он испаряется. Согласен что, это действительно большое неудобство, но его можно легко устранить. Для этого можно использовать воздушную трубку и гидравлический затвор, устанавливаемый, ближе к нижней точке системы, рядом с котлом. Данная трубка служит воздушным демпфером между гидравлическим затвором и уровнем теплоносителя в баке. Поэтому, чем больше ее диаметр, тем меньше будет уровень колебаний уровня в бачке гидрозатвора. Особо продвинутые умельцы умудряются закачивать в воздушную трубку азот или инертные газы, тем самым предохраняя систему от проникновения воздуха.

Оборудование

Гравитационной может быть как закрытая система, не сообщающаяся с атмосферным воздухом, так и открытая в атмосферу. От типа системы зависит набор оборудования, в котором она нуждается.

Открытая

Собственно, единственным обязательным элементом является открытый расширительный бак.

Стальной открытый расширительный бачок.

Он совмещает несколько функций:

• Вмещает избыток воды при перегреве.
• Отводит в атмосферу воздух и пар, образующийся при закипании воды в контуре.
• Служит для долива воды, компенсирующего ее утечку и испарение.

В тех случаях, когда на отдельных участках розлива радиаторы расположены выше него, их верхние пробки комплектуются воздушниками. В этой роли могут выступать как краны Маевского, так и обычные водоразборные краны.

Для сброса системы она обычно дополняется отводом, ведущим в канализацию или просто за пределы дома.

Закрытая

В закрытой гравитационной системе функции открытого бачка распределяются на несколько независимых устройств.

• Мембранный расширительный бак системы отопления обеспечивает возможность расширения теплоносителя при нагреве. Как правило, его объем берется равным 10% от общего объема системы.
• Предохранительный клапан сбрасывает избыточное давление при переполнении бака.
• За отвод воздуха отвечает ручной воздушник (к примеру, тот же кран Маевского) или автоматический воздухоотводчик.
• Манометр показывает давление.

Последние три устройства часто продаются единым комплектом.

Важно: в гравитационной системе как минимум один воздушник должен присутствовать в ее верхней точке. В отличие от схемы с принудительной циркуляцией, здесь воздушная пробка просто-напросто не даст теплоносителю двигаться.

Кроме перечисленного, закрытая система обычно снабжается перемычкой с системой ХВС, позволяющей заполнить ее после сброса или для компенсации утечки воды.

Использование циркуляционного насоса в гравитационном отоплении

В разговоре с одним монтажником я услышал, что насос, установленный на байпасе главного стояка, не может создать эффект циркуляции, так как установка запорной арматуры на главном стояке между котлом и расширительным баком запрещена. Поэтому можно поставить насос на байпасе обратной линии, а между врезками насоса установить шаровой кран. Такое решение не очень удобно, так как каждый раз перед включением насоса надо не забыть перекрыть кран, а после выключения насоса – открыть. При этом установка обратного клапана невозможна из-за его значительного гидравлического сопротивления. Чтобы выйти из этого положения, мастера пытаются переделать обратный клапан в нормально открытый. Такие «модернизированные» клапаны создадут в системе звуковые эффекты из-за постоянного «хлюпанья» с периодом, пропорциональным скорости теплоносителя. Могу предложить другое решение. На главном стояке между врезками байпаса устанавливается поплавковый обратный клапан для гравитационных систем. Поплавок клапана в режиме естественной циркуляции открыт и не мешает движению теплоносителя. При включении насоса на байпасе клапан перекрывает главный стояк, направляя весь поток через байпас с насосом.

В этой статье я рассмотрел далеко не все заблуждения, существующие у специалистов, монтирующих гравитационное отопление. Если статья вам понравилась, готов продолжить ее ответами на ваши вопросы.

В следующей статье я расскажу о строительных материалах.

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: